Mg(Al1-xGax)2O4透明陶瓷的制备与性能研究

作     者：涂广升 

作者单位：武汉理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：涂兵田

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：Mg(Al1-xGax)2O4 晶体结构 无压烧结 微观结构 性能 

摘      要：尖晶石型透明陶瓷从可见到中红外波长范围内都表现出很高的光学透过率,同时兼具良好的热机械性能,使得其在国防和民用领域均具有广阔的应用空间。自Mg AlO透明陶瓷问世之后,相继发展了Al ON、Mg Al ON、Mg O·n AlO等尖晶石型透明陶瓷材料。长久以来,尖晶石型透明陶瓷组成设计、光学和力学性能调控一直都是透明陶瓷领域的研究重点。本研究开展了Mg(AlGa)O尖晶石型透明陶瓷的组成设计、材料制备、结构解析及性能研究。首先设计并制备了不同组成的Mg(AlGa)O粉体。通过晶体结构解析结果发现,组成的改变显著影响了晶体结构。随x值的增大,Mg(AlGa)O的晶格常数和阴离子参数呈线性增大和减小的趋势,Mg、Al离子趋向于占据八面体位置,而Ga离子趋向于占据四面体位置。三种阳离子占位互有影响,当0≤x≤0.5,无论在四面体还是八面体位置,Al离子的占有率受Mg离子占有率主导;当0.15≤x≤1,在八面体位置,Ga离子的占有率受Mg离子占有率的主导。不同组成的Mg(AlGa)O陶瓷表现出不同的烧结行为。在无压烧结中,随着x值的增大,坯体的烧结活性逐渐变大。在热等静压烧结中,x=0、0.75和1样品烧结行为表现类似,需要在相对较高的温度才能有效地排除预烧体残余气孔,获得较高的光学透过率。而其它组成的样品在相对较低的温度就可获得较高的光学透过率。当x≤0.1时,研究发现少量的Ga离子取代Al离子能够促进烧结过程中的陶瓷致密化,并在一定程度上抑制热等静压烧结过程中晶粒的生长。研究发现,组成的改变能显著影响Mg(AlGa)O透明陶瓷的光学、力学、热学及介电性能。所有样品在1064 nm波段处均具有大于67%的直线透过率,紫外和红外截止波长随x增加而发生红移;材料的维氏硬度在11.65～13.58 GPa之间,体模量在192.94～201.37 GPa之间,杨氏模量在257.35～282.08 GPa之间,热导率在11.46～21.32 W·(m·K)之间,热膨胀系数在6.54～7.75×10K之间,介电常数8.54～9.93之间。此外,键价理论模型可以很好的适用于预测Mg(AlGa)O透明陶瓷体系的热学、力学性能,预测值与实验值最大偏差不超过3%。本研究设计并制备了一系列Mg(AlGa)O透明陶瓷,通过系统的晶体结构解析和材料性能表征,初步建立了Mg(AlGa)O透明陶瓷组成-结构-性能之间的关系,为新型Mg(AlGa)O尖晶石型透明陶瓷的开发提供了重要的研究基础。